[논문]지열발전을 위한 칼리나 사이클의 시뮬레이션

백영진; 김민성; 장기창; 이영수; 박성룡; 라호상

지열발전을 위한 칼리나 사이클의 시뮬레이션
Simulation of the Kalina cycle for a Geothermal Power Generation 원문보기

백영진 (한국에너지기술연구원 지열에너지연구센터) , 김민성 (한국에너지기술연구원 지열에너지연구센터) , 장기창 (한국에너지기술연구원 지열에너지연구센터) , 이영수 (한국에너지기술연구원 지열에너지연구센터) , 박성룡 (한국에너지기술연구원 지열에너지연구센터) , 라호상 (한국에너지기술연구원 지열에너지연구센터)

The Kalina cycle simulation study was carried out for a preliminary design of a geothermal power generation system. The Kalina cycle system can be used for the utilization of a low-temperature heat sources such as geothermal and industrial waste heat that are not hot enough to produce steam. The sea/river water can be considered as a cooling media. A steady-state simulation model was developed to analyze and optimize its performance. The model contains a turbine, a pump, an expansion valve and heat exchangers. The turbine and pump were modelled by an isentropic efficiency, while a condenser, an evaporator and a regenerative heat exchanger were modeled by UA-LMTD method with a counter-flow assumption. The simulation results show that the power generation efficiency over 10% is expected when a heat source and sink inlet temperatures are $100^{\circ}C$ and $10^{\circ}C$ respectively.

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문제 정의

본 연구에서는 지열발전 시스템의 개발을 위한 기초 연구로서, 시뮬레이션 방법을 통하여 칼리나 사이클의 성능 및 특성을 고찰하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.

가설 설정

를 입력 변수로 하였으며, 팽창과정은 등엔탈피 과정으로 생각하였다. 한편, 터빈 및 펌프의 단열효율은 75%로 가정하였다.

제안 방법

다음, 주어진 펌프의 단열효율로부터 펌프 출구 상태(3)를 계산하고, 분리기의 에너지 보존식으로부터 포화액의 질량분율(ω)을 계산한다.
주어진 터빈 효율로부터 터빈 출구상태(10)를 계산하고, 단열 흡수기의 에너지 보존식으로부터 응축기 입구 상태(1)를 계산한다. 다음, 증발기 및 응축기 각각에 대하여 1, 2차유체 간의 열평형식과 주어진 핀치점에서의 온도차들로부터 2차유체 출구온도들을 구한다.
우선 칼리나 사이클의 특성을 알아보기 위하여 열원수 입구 온도=100℃, 냉각수 입구온도=10℃, 증발기 및 응축기 내 대수평균 온도차=3℃, 증발기 및 응축기 내 핀치점에서의 온도차=2.5℃, 재생기 유용도(effectiveness) εRG=0.9 인 경우에 대하여, 터빈 입구의 압력=1,500 kPa 및 2,500 kPa인 경우, 분리기 입구 암모니아 농도 변화에 따른 칼리나 사이클의 효율을 Fig. 3에 나타내었다.
이 때, 2차 유체의 입구 온도 및 열교환기 대수평균 온도차, 그리고 핀치점에서의 온도차를 입력 변수로 하였다. 핀치점에서의 온도차는 증발기의 경우 Fig.
이와 관련하여 본 연구에서는 지열 발전 시스템의 개발을 위한 선행 연구로서, 칼리나 사이클의 성능 및 특성을 시뮬레이션 방법을 통하여 해석 및 고찰하였다.
이제 증발기와 응축기에서의 대수평균온도차를 새로 계산하여 주어진 대수평균온도차와 다르면 최초에 가정했던 펌프입구 온도(T2)와 터빈 입구 온도(T6)를 재가정한 후, 위의 과정을 반복한다. 계산이 종료되면, 시뮬레이션 결과로서 터빈 출력, 펌프 동력, 사이클 효율 및 각 구성요소의 입출구 상태 등을 얻을 수 있다.
재생기는 유용도(effectiveness) εRG를 입력 변수로 하였으며, 팽창과정은 등엔탈피 과정으로 생각하였다.
재생기의 에너지 보존식과 모델링으로부터 증발기 입구(4)와 팽창밸브 입구 상태(8)가 결정되며, 등엔탈피 가정으로부터 팽창밸브 출구 상태(9)를 결정할 수 있다. 주어진 터빈 효율로부터 터빈 출구상태(10)를 계산하고, 단열 흡수기의 에너지 보존식으로부터 응축기 입구 상태(1)를 계산한다. 다음, 증발기 및 응축기 각각에 대하여 1, 2차유체 간의 열평형식과 주어진 핀치점에서의 온도차들로부터 2차유체 출구온도들을 구한다.

대상 데이터

본 연구에서 고려하고 있는 칼리나 사이클 KCS 11⁽⁸⁾은 Fig. 1과 같이 증발기, 터빈, 응축기, 펌프, 분리기(separator), 팽창밸브 및 흡수기(absorber) 등으로 구성되어 있으며, 작동원리는 다음과 같다.

성능/효과

1. 주어진 열원 및 냉각수 입구 온도에 대하여, 칼리나 사이클의 효율에 영향을 주는 주요 인자로는 시스템 최고 압력 및 분리기 입구 암모니아 농도, 그리고 재생기 효율 등이 있다.
2. 위의 인자들 중, 분리기 입구 암모니아 농도의 영향이 가장 크다고 볼 수 있으며, 분리기 입구 암모니아 농도가 매우 높은 경우에는 재생 열량 자체가 크지 않으므로, 재생기 효율 변화에 대한 사이클 효율 변화가 크지 않다.
3. 100℃의 열원과 10℃의 냉각수가 이용가능하다면, 칼리나 사이클을 적용하여 10% 이상의 발전효율을 얻을 수 있다.(터빈의 단열 효율을 75%로 가정시)
열원수 온도 상승에 따라 사이클의 최고 효율이 증가하며, 최고 효율 점의 위치도 변화한다. 계산 결과에 따르면, 10℃의 냉각수가 이용가능하다면, 100℃의 열원에 칼리나 사이클을 적용하여 10% 이상의 발전효율을 얻을 수 있으며, 열원의 온도가 70℃만 되어도 이론적으로는 최대 약 9%의 발전효율을 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
이제 증발기와 응축기에서의 대수평균온도차를 새로 계산하여 주어진 대수평균온도차와 다르면 최초에 가정했던 펌프입구 온도(T2)와 터빈 입구 온도(T6)를 재가정한 후, 위의 과정을 반복한다. 계산이 종료되면, 시뮬레이션 결과로서 터빈 출력, 펌프 동력, 사이클 효율 및 각 구성요소의 입출구 상태 등을 얻을 수 있다.
분리기 입구 암모니아 농도 변화에 따라 사이클의 효율이 변화하는 이유는 주로 증발 및 응축 과정에서의 냉매의 평균온도 변화 때문이다. 동력 사이클에서는 열을 공급받는 평균온도가 높을 수록, 그리고, 열을 방출하는 평균온도가 낮을수록 사이클 효율이 상승한다.
5에 재생기 효율 변화에 따른 사이클의 효율 변화를 나타내었다. 재생기의 효율이 증가할수록 사이클의 최고 효율이 증가하며, 최고 효율점의 위치도 이동하는 것을 알 수 있다. 분리기 입구 암모니아 농도가 매우 높은 경우에는 재생 열량 자체가 크지 않으므로, 재생기 효율 변화에 대한 사이클 효율 변화가 크지 않다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

신에너지의 종류에는 무엇이 있는가?

신에너지 및 재생에너지는 재생에너지 8개분야(태양열, 태양광발전, 바이오매스, 풍력, 소수력, 지열, 해양에너지, 폐기물에너지)와 신에너지 3개 분야(연료전지, 석탄액화·가스화, 수소에너지)로 분류되는데, 이중 지열, 해양, 태양열의 경우에는 온도차를 이용하여 전기를 생산할 수 있다.(1)-(3)

재생에너지의 종류에는 무엇이 있는가?

신에너지 및 재생에너지는 재생에너지 8개분야(태양열, 태양광발전, 바이오매스, 풍력, 소수력, 지열, 해양에너지, 폐기물에너지)와 신에너지 3개 분야(연료전지, 석탄액화·가스화, 수소에너지)로 분류되는데, 이중 지열, 해양, 태양열의 경우에는 온도차를 이용하여 전기를 생산할 수 있다.(1)-(3)

재생에너지 8개분야 중 지열은 우리나라에서 어떻게 평가되고 있는가?

특히 지열은 인류가 가지고 있는 가장 오래된 에너지 자원 중 하나이며, 현재 전세계적으로 바이오매스와 대수력을 제외한 신재생에너지자원 중에서 가장 많은 에너지를 공급하고 있음에도 불구하고 우리나라에서는 그 중요성이 상대적으로 낮게 평가되고 있다.

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